Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp sản xuất bia tại Việt Nam đã có sự phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây, với mức tăng trưởng bình quân từ 8-12% mỗi năm. Nhà máy bia Sài Gòn Hà Nội (SABECO) là một trong những đơn vị đi đầu với công suất thiết kế 90 triệu lít bia thường phẩm/năm, có khả năng mở rộng lên 120 triệu lít/năm. Quá trình nấu bia là một chuỗi công đoạn phức tạp, trong đó khâu lọc bã (lau­ter tun) đóng vai trò then chốt quyết định chất lượng và năng suất sản xuất.

Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế và tích hợp hệ thống tủ điều khiển tự động cho khâu lọc bã bia trong dây chuyền nấu bia hiện đại tại nhà máy SABECO. Mục tiêu chính là nâng cao chất lượng dịch lọc, rút ngắn thời gian lọc và tối ưu hóa quy trình điều khiển nhằm tăng năng suất và giảm chi phí năng lượng. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2006-2008 tại nhà máy SABECO, khu công nghiệp Vĩnh Phúc, Hà Nội.

Việc áp dụng hệ thống điều khiển tự động hiện đại, đặc biệt là SCADA và PLC, giúp giám sát và điều khiển chính xác các thông số quan trọng như tốc độ lọc, thời gian lọc và chất lượng dịch lọc. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc nâng cao hiệu quả sản xuất, đảm bảo chất lượng sản phẩm bia, đồng thời góp phần tăng sức cạnh tranh cho doanh nghiệp trên thị trường trong nước và quốc tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Hệ thống điều khiển tự động SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition): Là hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu trong công nghiệp, cho phép điều khiển từ xa qua giao diện HMI (Human Machine Interface). SCADA phân cấp điều khiển từ cấp 0 (cảm biến, thiết bị chấp hành) đến cấp 3 (quản lý giám sát tổng thể).

  • PLC (Programmable Logic Controller): Bộ điều khiển lập trình được sử dụng để thực hiện các thuật toán điều khiển logic, PID, và các chức năng điều khiển liên tục trong dây chuyền sản xuất.

  • Mạng truyền thông công nghiệp: Bao gồm các giao thức MPI (Multi Point Interface), Profibus (Process Field Bus), và Industrial Ethernet, đảm bảo truyền dữ liệu nhanh, ổn định giữa các thiết bị điều khiển và hệ thống giám sát.

  • Quy trình công nghệ nấu bia: Bao gồm các công đoạn ngâm, nấu, lọc bã, lên men, làm lạnh, với các thông số kỹ thuật như nhiệt độ, pH, áp suất, tốc độ lọc ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm.

Các khái niệm chính được sử dụng gồm: tủ điều khiển tự động, hệ thống SCADA, PLC S7-400, mạng Profibus, quy trình lọc bã (lau­ter tun), chất lượng dịch lọc, và năng suất sản xuất.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Luận văn sử dụng dữ liệu thực nghiệm thu thập tại nhà máy bia Sài Gòn Hà Nội trong giai đoạn 2006-2008, kết hợp với số liệu kỹ thuật từ các thiết bị điều khiển và hệ thống SCADA.

  • Phương pháp phân tích: Phân tích mối quan hệ giữa các thông số vận hành (áp suất, lưu lượng, thời gian lọc) với chất lượng dịch lọc và năng suất sản xuất. Thiết kế thuật toán điều khiển PID và logic điều khiển trên PLC S7-400, tích hợp với phần mềm SCADA WinCC của Siemens để giám sát và điều khiển tự động.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Hệ thống điều khiển được thử nghiệm trên dây chuyền nấu bia thực tế tại nhà máy SABECO với quy mô công suất 90 triệu lít/năm. Việc lựa chọn PLC S7-400 và phần mềm WinCC dựa trên khả năng tương thích, độ tin cậy và phổ biến trong ngành công nghiệp bia.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong vòng 2 năm, từ tháng 1/2006 đến tháng 12/2008, bao gồm giai đoạn khảo sát hiện trạng, thiết kế hệ thống, lập trình, tích hợp và thử nghiệm thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tối ưu hóa thời gian lọc: Hệ thống điều khiển tự động giúp giảm thời gian lọc bã trung bình từ 120 phút xuống còn khoảng 90 phút, tiết kiệm 25% thời gian so với phương pháp thủ công trước đây.

  2. Nâng cao chất lượng dịch lọc: Độ trong của dịch lọc đạt tiêu chuẩn kỹ thuật với độ đục dưới 5 NTU (Nephelometric Turbidity Units), tăng 15% so với trước khi áp dụng hệ thống tự động.

  3. Tăng năng suất sản xuất: Nhờ kiểm soát chính xác tốc độ lọc và áp suất, năng suất dây chuyền tăng khoảng 20%, tương đương tăng thêm 18 triệu lít bia/năm tại nhà máy SABECO.

  4. Giảm tiêu hao năng lượng: Việc điều khiển tự động giúp giảm tiêu thụ điện năng cho bơm và thiết bị lọc khoảng 10%, góp phần giảm chi phí sản xuất.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các cải tiến trên là do hệ thống điều khiển tự động SCADA kết hợp PLC S7-400 cho phép giám sát liên tục và điều chỉnh các thông số vận hành theo thời gian thực, đảm bảo quá trình lọc bã diễn ra ổn định và hiệu quả. So với các nghiên cứu trong ngành công nghiệp thực phẩm khác, kết quả này tương đồng với xu hướng ứng dụng tự động hóa nhằm nâng cao chất lượng và năng suất.

Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa thời gian lọc và độ trong dịch lọc cho thấy sự cải thiện rõ rệt khi áp dụng hệ thống tự động. Bảng so sánh năng suất và tiêu hao năng lượng trước và sau khi tích hợp hệ thống cũng minh chứng hiệu quả kinh tế của giải pháp.

Kết quả nghiên cứu không chỉ có ý nghĩa với nhà máy SABECO mà còn có thể áp dụng rộng rãi cho các nhà máy bia khác trong nước, góp phần nâng cao năng lực cạnh tranh của ngành bia Việt Nam trên thị trường quốc tế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai mở rộng hệ thống điều khiển tự động: Khuyến nghị các nhà máy bia trong nước áp dụng hệ thống SCADA và PLC tương tự để nâng cao chất lượng và năng suất, với mục tiêu giảm thời gian lọc ít nhất 20% trong vòng 2 năm.

  2. Đào tạo nhân sự vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về vận hành và bảo trì hệ thống điều khiển tự động cho kỹ thuật viên, nhằm đảm bảo vận hành ổn định và phát huy tối đa hiệu quả hệ thống.

  3. Nâng cấp phần mềm giám sát: Đề xuất cập nhật phần mềm SCADA WinCC lên phiên bản mới nhất để tăng cường tính năng báo cáo, cảnh báo sự cố và phân tích dữ liệu, giúp quản lý sản xuất hiệu quả hơn trong vòng 1 năm tới.

  4. Tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng: Áp dụng các giải pháp tiết kiệm năng lượng dựa trên dữ liệu thu thập từ hệ thống điều khiển, nhằm giảm ít nhất 10% chi phí điện năng trong 3 năm tiếp theo.

  5. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng: Khuyến khích nghiên cứu tích hợp hệ thống điều khiển tự động cho các khâu khác trong dây chuyền sản xuất bia như lên men, làm lạnh để đồng bộ hóa và nâng cao hiệu quả toàn bộ quy trình.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp sản xuất bia: Các nhà máy bia trong nước và quốc tế có thể áp dụng giải pháp điều khiển tự động để nâng cao chất lượng sản phẩm và tăng năng suất.

  2. Chuyên gia kỹ thuật tự động hóa: Kỹ sư và chuyên viên công nghệ thông tin trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp sẽ tìm thấy các phương pháp thiết kế, tích hợp hệ thống SCADA và PLC phù hợp với ngành thực phẩm.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật điều khiển: Luận văn cung cấp tài liệu tham khảo thực tiễn về ứng dụng công nghệ điều khiển tự động trong dây chuyền sản xuất công nghiệp.

  4. Nhà quản lý sản xuất: Các quản lý nhà máy và phòng ban kỹ thuật có thể sử dụng kết quả nghiên cứu để hoạch định chiến lược nâng cao hiệu quả sản xuất và tiết kiệm chi phí.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống SCADA là gì và vai trò trong dây chuyền nấu bia?
    SCADA là hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu tự động, giúp điều khiển từ xa các thiết bị trong dây chuyền nấu bia, đảm bảo quá trình vận hành ổn định và chính xác. Ví dụ, SCADA giám sát áp suất và lưu lượng trong khâu lọc bã để điều chỉnh kịp thời.

  2. Tại sao chọn PLC S7-400 cho hệ thống điều khiển?
    PLC S7-400 có khả năng xử lý nhanh, độ tin cậy cao và dễ dàng lập trình, phù hợp với yêu cầu điều khiển phức tạp trong dây chuyền nấu bia hiện đại. Đây là lựa chọn phổ biến trong ngành công nghiệp thực phẩm.

  3. Làm thế nào để đánh giá chất lượng dịch lọc trong quá trình lọc bã?
    Chất lượng dịch lọc được đánh giá qua độ trong (độ đục dưới 5 NTU), áp suất lọc và tốc độ lọc. Hệ thống tự động giúp duy trì các thông số này trong giới hạn cho phép, đảm bảo bia thành phẩm đạt tiêu chuẩn.

  4. Hệ thống điều khiển tự động giúp tiết kiệm năng lượng như thế nào?
    Bằng cách điều chỉnh chính xác tốc độ bơm và thời gian lọc, hệ thống giảm thiểu lãng phí điện năng và tránh vận hành quá tải thiết bị, từ đó tiết kiệm khoảng 10% điện năng so với vận hành thủ công.

  5. Có thể áp dụng hệ thống này cho các nhà máy bia nhỏ hơn không?
    Có thể, tuy nhiên cần điều chỉnh quy mô và cấu hình hệ thống phù hợp với công suất và yêu cầu kỹ thuật của từng nhà máy để đảm bảo hiệu quả đầu tư và vận hành.

Kết luận

  • Thiết kế và tích hợp hệ thống tủ điều khiển tự động cho khâu lọc bã bia tại nhà máy SABECO đã giúp giảm 25% thời gian lọc và nâng cao chất lượng dịch lọc lên 15%.
  • Năng suất sản xuất tăng khoảng 20%, tương đương 18 triệu lít bia/năm, đồng thời tiết kiệm 10% năng lượng tiêu thụ.
  • Hệ thống SCADA kết hợp PLC S7-400 và mạng truyền thông Profibus, Industrial Ethernet đảm bảo điều khiển chính xác, ổn định và dễ dàng giám sát.
  • Giải pháp có thể mở rộng áp dụng cho các nhà máy bia khác nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và cạnh tranh thị trường.
  • Đề xuất triển khai đào tạo nhân sự, nâng cấp phần mềm và nghiên cứu mở rộng ứng dụng trong các khâu sản xuất khác trong vòng 1-3 năm tới.

Hành động tiếp theo: Các doanh nghiệp và nhà quản lý ngành bia nên xem xét áp dụng hệ thống điều khiển tự động để nâng cao chất lượng và hiệu quả sản xuất, đồng thời đầu tư vào đào tạo và nâng cấp công nghệ để bắt kịp xu hướng công nghiệp 4.0.